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Anna Schneider

• The central topic of this dissertation is the 3D spatial description of geomorphic and sediment mass balance development in initial phases of ecosystem development. The introductory chapters give an overview on the consideration of characteristics and relevance of the initial development phase in geomorphological landform development concepts and summarize the state of the art of research for experimental studies on landform development and for 3D soil-landscape modeling approaches. The central aim of the work is a 3D-spatially and temporally resolved description of the development of mass balances of the sediment solid phase during the initial years of ecosystem development and of its dependence on initial and boundary conditions in the 6 ha, artificially-created catchment ‘Hühnerwasser’. This aim is approached using remotely-sensed data, methods of quantitative soil landscape modeling and geomorphic change detection, and the application of a numerical landscape evolution model. The construction of a 3D volume model of theThe central topic of this dissertation is the 3D spatial description of geomorphic and sediment mass balance development in initial phases of ecosystem development. The introductory chapters give an overview on the consideration of characteristics and relevance of the initial development phase in geomorphological landform development concepts and summarize the state of the art of research for experimental studies on landform development and for 3D soil-landscape modeling approaches. The central aim of the work is a 3D-spatially and temporally resolved description of the development of mass balances of the sediment solid phase during the initial years of ecosystem development and of its dependence on initial and boundary conditions in the 6 ha, artificially-created catchment ‘Hühnerwasser’. This aim is approached using remotely-sensed data, methods of quantitative soil landscape modeling and geomorphic change detection, and the application of a numerical landscape evolution model. The construction of a 3D volume model of the catchment’s sediment body based on digital elevation data is described. Possibilities for the quantification of sediment mass balances and for the 3D spatial description of sediment properties within this model are discussed. Digital elevation models based on airborne and terrestrial laser scanning and photogrammetry are evaluated for their suitability for sediment mass balance quantification and reconstruction of initial morphologic development; and methods for the modification and combination of elevation data for improved sediment mass balance quantification are described. The development of the catchment’s surface morphometry and of the geometry of the evolving erosion rill network is reconstructed and analysed based on aerial photographs and digital elevation models. Relations between structures of the initial surface and the developing hydro-geomorphic structures are discussed. Effects of initial surface morphology and precipitation characteristics during the initial development phase are further assessed by simulations with a numeric landscape evolution model. Results allow for a quantification of geometry and volume of the catchment’s initial sediment body and for a visualization of sediment layers deposited in time intervals. It is shown that a combination of different elevation data, based on their suitability for depicting the sediment surface in areas of different morphologic and vegetation characteristics, allows for an improved quantification of sediment mass balances. Results allow for a characterization of phases of rill network growth, contraction and stabilization and suggest influences of initial morphology, precipitation characteristics, and developing structure-process-interactions on rill network geometry in the catchment. The phases of hydro-geomorphic surface structure evolution can be related to the spatial organization of surface flow patterns during initial phases of landform development.…
• Die vorliegende Dissertation behandelt die 3D-räumliche Beschreibung der Entwicklung von Morphologie und Sedimentmassenbilanzen für Initialphasen der Ökosystementwicklung. Die einleitenden Kapitel geben einen Überblick über die Behandlung von Charakteristika und Relevanz der Initialphase der Reliefentwicklung in der geomorphologischen Systemtheorie und über den Stand der Forschung zu empirischen Untersuchungen zur initialen Reliefentwicklung und zu Methoden der 3D-räumlichen Modellierung von Relief und Landschaftsentwicklung. Zentrale Ziele dieser Arbeit sind die Beschreibung von Sedimentmassenbilanzen während der ersten Jahre der Ökosystementwicklung im 6 ha großen, künstlich angelegten Wassereinzugsgebiet ’Hühnerwasser’ in 3D-räumlicher und zeitlicher Auflösung und die Charakterisierung der Abhängigkeit dieser Entwicklung von den Ausgangs- und Randbedingungen. Die Fragestellung wird mithilfe von Fernerkundungsdaten, Methoden der quantitativen Bodenlandschaftsmodellierung und Simulationen mit einem LandschaftsentwicklungsmodellDie vorliegende Dissertation behandelt die 3D-räumliche Beschreibung der Entwicklung von Morphologie und Sedimentmassenbilanzen für Initialphasen der Ökosystementwicklung. Die einleitenden Kapitel geben einen Überblick über die Behandlung von Charakteristika und Relevanz der Initialphase der Reliefentwicklung in der geomorphologischen Systemtheorie und über den Stand der Forschung zu empirischen Untersuchungen zur initialen Reliefentwicklung und zu Methoden der 3D-räumlichen Modellierung von Relief und Landschaftsentwicklung. Zentrale Ziele dieser Arbeit sind die Beschreibung von Sedimentmassenbilanzen während der ersten Jahre der Ökosystementwicklung im 6 ha großen, künstlich angelegten Wassereinzugsgebiet ’Hühnerwasser’ in 3D-räumlicher und zeitlicher Auflösung und die Charakterisierung der Abhängigkeit dieser Entwicklung von den Ausgangs- und Randbedingungen. Die Fragestellung wird mithilfe von Fernerkundungsdaten, Methoden der quantitativen Bodenlandschaftsmodellierung und Simulationen mit einem Landschaftsentwicklungsmodell bearbeitet. Die Konstruktion eines 3D-Volumenmodells des Sedimentkörpers des Einzugsgebiets auf Basis von Höhendaten wird beschrieben, und Möglichkeiten zur Quantifizierung von Sedimentmassenbilanzen und zur 3D-räumlichen Beschreibung von Sedimenteigenschaften in einem solchen Modell werden aufgezeigt und diskutiert. Die Eignung von digitalen Höhenmodellen aus terrestrischem und airborne laser scanning und aus Photogrammetrie sowie Möglichkeiten der Weiterbearbeitung dieser Daten zur Quantifizierung von Sedimentmassenbilanzen werden untersucht. Auf Basis von Luftbildern und digitalen Geländemodellen werden Entwicklungsstadien der Oberflächenmorphologie und der Geometrie des sich entwickelnden Gerinnenetzes und ihre Abhängigkeit von Ausgangs- und Randbedingungen charakterisiert. Der Einfluss von initialen Oberflächenstrukturen und Niederschlagscharakteristika auf diese Entwicklung wird über Simulationen mit einem Landschaftsentwicklungsmodell weiter bewertet. Die Ergebnisse ermöglichen eine Quantifizierung von Geometrie und Volumen des initialen Sedimentkörpers und eine Visualisierung von in verschiedenen Zeiträumen abgelagerten Sedimentschichten. Die beschriebenen Methoden zur Weiterbearbeitung und Kombination verschiedener Höhendaten auf Basis ihrer jeweiligen Eignung zur Darstellung der Oberfläche in Bereichen unterschiedlicher Morphologie und Vegetationsbedeckung ermöglichen eine verbesserte Quantifizierung von Sedimentmassenbilanzen für das Einzugsgebiet. Die Ergebnisse zeigen Phasen der Ausbreitung und anschließenden Stabilisierung des Netzwerks von Erosionsrinnen und deuten auf Einflüsse der initialen Oberflächenstrukturen, der Niederschlagsverteilung und sich entwickelnder Struktur-Prozess-Rückkopplungen auf diese Entwicklung hin. Die beobachteten Phasen der morphologischen Entwicklung können vor dem Hintergrund der räumlichen Organisation von Oberflächenabflussmustern und sich verändernder Randbedingungen während der Initialphase der Reliefentwicklung charakterisiert werden.…